石化工程抗爆建筑物设计浅析

2019-01-11中国石油工程建设有限公司北京设计分公司崔戍

中国勘察设计 2019年8期

■ 中国石油工程建设有限公司北京设计分公司崔戍

随着我国经济社会的快速发展，石油化工产品的需求日益增大。同时，随着石化工艺的日益复杂、石化工程规模的日益扩大，意外爆炸的风险也日益增加。爆炸不仅会摧毁石化工程建筑物，还会造成重大人员伤亡和经济损失。因此，有必要对石化工程建筑物进行抗爆设计，预防此类事件的发生。

1.石化工程建筑物抗爆设计的必要性

石油化工装置储存或加工易燃、易爆的烃类和其他燃料，如果发生泄露，很可能造成火灾或爆炸事故。虽然发生这类事件的概率较小，但是一旦发生，造成的后果将不堪设想，不仅包括人员伤亡和财产损失，还极有可能影响公共安全。因此，石化工程建筑物应能承受爆炸的影响，以保护室内人员至少做到建筑物不应给建筑内的人员带来更多的危险。对于建筑物来说，通常来自冲击波的超压是工艺装置意外爆炸最具破坏性的特征。然而，除了爆炸的影响，这类事件可能导致火灾、飞溅物和地面震动，还可能对建筑物及其内部造成破坏。为保障建筑物内人员和设备的安全，应对处于爆炸影响范围内的建筑物根据《爆炸安全评估报告》确定的“爆炸超压”进行抗爆设计。

2.建筑物抗爆设计的目标

建筑物抗爆设计的主要目标是保障建筑物内人员的安全、确保工艺装置控制的关闭和减少经济损失。

抗爆设计为建筑物内的人员提供的安全度，不应小于发生爆炸时建筑物外的人员。以往石化工程爆炸事故的证据表明，许多人员死亡和严重受伤的原因在于由于建筑物倒塌砸到了建筑物内的人身上所致。建筑物抗爆设计目的就是降低在爆炸发生时建筑物本身成为危险源的可能性。

防止由于未涉及的工艺装置失去控制而导致的关联事件，是防爆设计的目标之一。一个工艺装置的事故应该不影响其他装置的继续安全运行或有序关闭。

防止或尽量减少经济损失是抗爆的另一个设计目标。如果建筑物内有商业资料、重要或必需的设备、昂贵和长周期的设备，一旦被破坏，将会造成重大影响或经济损失，应当予以抗爆保护。

3.建筑物的抗爆设计原则

在爆炸动荷载作用下，允许结构构件进入弹塑性状态，是建筑物抗爆设计的一项重要原则。抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，其变形的计算包括延性比、支座转角的计算等。由于爆炸所产生冲击波超压的性质和破坏力具有不确定性的特征，因此，在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择，以及结构的整体性、刚度、超静定等多方面进行综合考虑。

4.建筑物的选址

石化工程建筑物平面位置的确定，需要考虑其危险性、扩建、间距等多种因素。建筑物选址时，应考虑相邻和附近的工艺操作的危险性，以及涉及这些危险的事故产生的后果。

建筑物的抗爆保护，可以通过与潜在危险源保持足够的安全距离或加固建筑物来实现。安全距离是抗爆保护的首选方式。

对建筑物进行选址，应考虑以下因素：

（1）建筑物的朝向应使短边朝向最可能发生爆炸的爆炸源；

（2）建筑物内如果有不需要实际操作的人员，应该尽可能地安排到较远的位置；

（3）建筑物的位置应远离拥挤和封闭的区域，否则会增加爆炸的严重性；

（4）建筑物不应位于释放比空气重的物质的潜在释放源的下坡；

（5）建筑物不应位于潜在释放源的下风向；

（6）建筑物不应位于易燃液体可能聚集的位置。

5.抗爆建筑的结构类型

抗爆结构最重要的特点是吸收爆炸能量而不会引起结构整体的灾难性破坏。抗爆结构中的建筑材料不仅要具有延性而且要具有强度。此外，在发生爆炸时，建筑物将承受爆炸荷载在一个方向产生的侧向力。一个结构具有的抗爆措施需包括其框架和基础必须具有吸收较大的横向载荷的能力，结构构件还必须具有足够的变形能力。

对于抗爆建筑物，特别是临近潜在爆炸源的建筑物，很可能在爆炸时受到相对较高的爆炸超压和热效应。建筑物抗爆设计的重要目的就是使建筑物在爆炸荷载的作用下不发生脆性破坏，且应具备良好的耐火性能，同时能够满足上述条件的结构形式。采用以钢筋混凝土框架—剪力墙结构较为经济和实用，钢筋混凝土常用于抗爆建筑物的外墙和屋顶，直接承受爆炸的影响。墙壁和屋顶应设计成具有一定的延性以吸收爆炸能量，而不会将其传递给支撑构件。建筑物采用钢筋混凝土结构形式，其受力体系的布置、外墙墙体构造及厚度应通过结构计算确定。另外,预制的钢结构建筑物，如果设计合理，可以在距离爆炸危险源适当的位置使用。

6.抗爆建筑物概念设计

抗爆建筑物的平面和立面设计应尽可能地“简洁”，避免凹角和偏移，否则容易造成爆炸载荷局部集中。建筑物的朝向应尽量降低爆炸引起的荷载，这就要求建筑物面对最可能的爆炸源的面积应该尽可能小。

抗爆建筑物的平面宜做成正方形或接近正方形的矩形。正方形建筑平面在矩形类平面中，整体刚度最大、爆炸荷载相对较小，且由于以最小的外表面面积围合的室内空间最大，故平面利用率较高、建筑能耗较低，可以有效降低工程成本。

抗爆建筑物的层数一般为地上一层。对建筑层数的限制既要考虑工程计算的复杂程度，还要考虑在满足基本安全要求的前提下的工程成本问题。与较高的结构相比，较矮的建筑物所承受的爆炸载荷较低。

为了避免在工艺装置爆炸状态下非抗爆建筑物可能产生的碎块阻塞控制室内人员疏散通道的现象的发生，抗爆建筑物应独立设置，不得与非抗爆建筑物合建。

遇到工艺装置爆炸时，建筑安全出口有可能被爆炸所产生的碎片阻塞，影响人员疏散。为了提高人员疏散的可靠性，抗爆建筑物至少应在两个方向设置安全出口，且不可直接面向有爆炸危险的工艺装置。

人员通道外门的室内侧，应设置隔离前室。设置隔离前室可以有效地保持室内的正压环境，如果外门在爆炸荷载作用下损坏时，还可以成为第二道防护体系。

建筑物采取保温的构造措施，有利于减少温差对建筑结构产生的应力。同时，普通变形缝的设置可能导致在建筑物整体抗爆体系中形成一个安全缺陷或隐患。因此，应在抗爆建筑方案及结构设计中共同采取措施，避免设置变形缝。

7.抗爆建筑物构造措施

采取构造措施，是为了减少爆炸时可能产生的次生灾害。抗爆建筑物外表面不应附着密度较大的装配式建筑构件，不得采用装配式架空隔热的构造。女儿墙属于悬臂构造，应由结构工程师根据爆炸力的特性进行专门的验算，以确保在爆炸力的作用下因破坏产生碎块飞溅伤人。女儿墙高度应在满足屋面泛水构造要求的同时取最小值，采用钢筋混凝土的结构形式。

在发生爆炸时，钢筋混凝土结构体系可能产生较大的变形，为了减少吊顶由于受到水平力冲击而造成面板脱落伤人的现象，吊顶周边与抗爆建筑物外墙之间应设置变形缝，宽度不应小于50mm。同时增加吊顶龙骨的刚度，吊顶面板选择密度小的材料，减轻爆炸时可能产生的次生灾害。自重较大的灯具应采用钢筋吊杆直接将其固定在钢筋混凝土屋面板上，防止灯具脱落，以免对人员造成伤害。

抗爆建筑物的开孔包括进风口、排风口、电源和控制电缆。对于抗爆建筑，有必要在建筑物的开口处提供保护措施。通过使用专用设备，电缆或管道周围的环形空间可以实现完全密封。另外，也可以使用定制设计的封闭板。直径大于150mm的进风口、排风口应安装与建筑围护结构同等抗爆等级的抗爆阀。抗爆阀应确保在建筑物外发生爆炸时可以自动关闭，当外部空气压力恢复正常时自动复位。